Упрочнение и неоднородность распределения пластической деформации алюминия в разных условиях одноосного растяжения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение

Глава I. Литературный обзор

1.1. Механизм пластической деформации

1.2. Пластическая деформация поликристаллов растяжением

1.3. Влияние различных факторов на упрочнение при пластической деформации поликристаллических металлов

1.4. Неоднородность пластической деформации металлов и сплавов и статистический метод ее исследования

1.5. Результаты исследования неоднородности пластической деформации металлов статистическим методом

Выводы по обзору литературы и задачи

Цель работы

Глава II. Методика эксперимента и обработка его результатов

2.1. Выбор материала и подготовка образцов

2.2. Описание установки для исследований

2.3. Ход эксперимента, измерения и проверка однородности деформированного рабочего поля образца

2.4. Математическая обработка результатов эксперимента '

2.5. Оценка ошибок измерения

2.6. Оценка величины базы сетки применительно к различным статистическим исследованиям

2.7. Основные ошибки при оценивании статистических характеристик

Выводы

Глава III. Упрочнение алюминия АД1- М в разных условиях одноосного растяжения

3.1. Упрочнение при комнатной температуре

3.1.1. Расчет кривой упрочнения

3.1.2, Приближенный расчет зависимости постоянной В от параметров материала

3.2. Влияние температуры на упрочнение алюминия АД1- М

3.3. Влияние величины зерна на упрочнение алюминия АД1- М

3*4. Влияние скорости растяжения на упрочнение алюминия ДЦ1- М

3.5. 0 связи одноосного растяжения с установишейся ползучестью

Выводы

Глава 1У. Распределение пластической деформации в алюминии АДЕ- М, одноосно растянутом при комнатной температуре, и оценка статистических характеристик

4.1. Распределение пластических деформаций локальных областей по степеням

4.2. Характер пластической деформации локальных областей алюминия АДЕ- М

4.3. Связь между долями ячеек с устойчивой и неустойчивой деформацией, коэффициентом автокорреляции и коэффициентом деформационной пластической анизотропии

4.4» Распределение пластических деформаций локальных областей по объему

4.5. Распределение коэффициентов пространственной автокорреляции. Радиус пространственной корреляции

4.6. Статистический способ определения ранних признаков нарушения равномерной пластической деформации

Выводы

Глава У. Влияние температуры на распределение пластических деформаций в алюминии АДЕ- М

5.1. Распределение пластических деформаций локальных областей при 373 К

5.2. Распределение пластических деформаций локальных областей при 453 К

5.3. Распределение пластических деформаций локальных областей при температурах свыше 0,5*Тптг

1JUA1 •

5,4. Влияние температуры на распределение пластических деформаций в алюминии АД1- М

Выводы

Глава YIV Влияние других факторов на распределение пластических деформаций в алюминии АД1- М

6.1. Зависимость распределения пластических деформаций от величины зерна

6.1.1. Влияние величины зерна на распределение пластических деформаций по степеням деформирования

6.1.2. Распределение пластических деформаций по объему в образцах из алюминия АДГ- М с разной величиной зерна

6.2. Влияние скорости растяжения на распределение пластических деформаций в алюминии да- М

Основные результаты работы

Актуальность проблемы. Вопросы улучшения свойств материалов являются первостепенными в ряду задач физики твердого тела. Особенно актуальной остается проблема повышения прочности и пластичности различных материалов, в частности металлов и их сплавов. Ддя создания новых материалов с повышенным сопротивлением разрушению и с улучшенными пластическими свойствами в число важнейших направлений выдвигается сейчас изучение взаимосвязи механизмов деформирования вещества с его структурой [i]. Изучение этой взаимосвязи ведется на разных уровнях, в том числе на полумакроскопическом, то есть на уровне локальных областей, соизмеримых, например, с размерами зерен металла. Именно динамика изменений, происходящих с локальными областями, ответственна за изменения макрохарактеристик материала. Однако это направление исследований в науке в настоящее время разработано еще слабо. Имеются только несистематические статистические исследования распределения пластических деформаций локальных областей по степеням, в основном при ползучести и в отрыве от исследования упрочнения материала. Число же работ по исследованию распределения пластических деформаций локальных областей по объему крайне ограничено, причем выполнены они в статике /для одной степени макродеформации/ и на разных материалах. В итоге результаты трудно сравнимы и подчас противоречивы. Поэтому исследования взаимосвязи между особенностями деформирования и распределения локальных областей вещества и его макропараметрами представляют научный и практический интерес и являют-актуальными.

Цель работы. На алюминии в разных условиях одноосного растяжения провести систематические статистические исследования распределения и изменения распределения пластических деформаций локальных областей, как по степеням, так и по объему, в комплексе с исследованиями изменения упрочнения и свойств пластичности.

Научная новизна. По изменению основного отклонения установлено, что при всех условиях одноосного растяжения наиболее интенсивное развитие неоднородности пластических деформаций локальных областей в алюминиевом сплаве АДГ- М происходит до макродеформации 2 %.

Статистическим анализом случайного поля локальных деформаций сплава АДГ- М показано, что при макроравномерной пластической деформации распределение пластических деформаций локальных областей по степеням деформирования - нормальное, а по шлю - случайное и достаточно однородное. Установлено наличие локальных областей, у которых знак отклонения деформации от среднего значения изменяется.

Разработаны следующие статистические методы: определение ранних признаков нарушения макроравномерной пластической деформации, образца, исследование деформационной пластической анизотропии и определение радиуса пространственной корреляции деформаций.

По изменению вида пространственной автокорреляционной функции установлено несколько ранних признаков нарушения макроравномерной пластической деформации разного типа, в том числе "волн" деформации.

Для области макроравномерной пластической деформации установлена количественная зависимость коэффициента деформационного упрочнения алюминиевого сплава АД1- М от температуры и степени макродеформации. В интервале температур 293 К ^ Т 0,5'Т^ получена экспоненциальная зависимость запаса пластичности от температуры. Показано, что вблизи 0,5*Тптт запас пластичности скачком убывает до нуля. liJJ. •

Научная и практическая ценность. Полученные результаты исследований уточняют и углубляют представление о развитии неоднородности распределения пластических деформаций локальных областей.

Предложенные статистические методы исследований и количественные соотношения позволяют предсказывать изменение распределения пласти- . ческих деформаций локальных областей и потерю устойчивости течения при разных условиях одноосного растяжения алюминиевого сплава ДЦ1-М.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на Х1У /г. Магнитогорск, 1972 г./, ХУ /г. Курган, 1973 г./, ХУ1 /г. Нижний Тагил, 1974 г./, ХУЛ /г. Омск, 1976 г./ и ХУ111- ом /г. Новосибирск, 1977 г./ зональных научно-методических семинарах преподавателей физики, астрономии и общетехнических дисциплин педагогических институтов Урала, Сибири и Дальнего Востока; на конференции "Новые методы прогноза надежности машин и оборудования" /г. Свердловск, 1980 г./; на II совещании по физике и хиши твердого тела /г. Челябинск, 1981 г./; на республиканском межвузовском совещании "Физика композитных и анизотропных материалов /г. Челябинск, 1983 г./ и на ЛИ Всесоюзной конференции по прочности и пластичности /г. Пермь, декабрь 1983 г./.

По материалам диссертации опубликовано 20 работ. Основное содержание диссертации опубликовано в работах 69, 72, 78, 79, 83, 85, 89, 91, 95 и 96 .

Объем работы. Диссертация изложена на 187 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц и 60 рисунков.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы, содержащего 96 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для отожженного ашоминиевого сплава АД1- М в области макро-равномерной пластической деформации получена логарифмическая зависимость напряжения от степени макродеформации, установлена экспоненциальная зависимость коэффициента деформационного упрочнения от температуры и обратная - от степени макродеформации.

2. Статистическим анализом случайных полей локальных деформаций отожженного алюминиевого сплава АД1- М установлено, что при всех условиях одноосного растяжения наиболее интенсивное развитие неоднородности пластических деформаций локальных областей происходит до макродеформации 2 %; показано, что при макроравномерной пластической деформации распределение пластических деформаций локальных областей по степеням деформирования нормальное, а по полю - случайное и достаточно однородное. Установлено наличие локальных областей, у которых знак отклонения деформации от среднего значения изменяется.

3. Разработан статистический метод исследования деформационной пластической анизотропии, основанный на изменении автокорреляционных функций полей деформаций. Установлена область насыщения деформационной пластической анизотропии, которая с повышением температуры сокращается, а при температуре Т >" 0,5*1^ - отсутствует.

4. Разработаны статистические методы: определения ранних признаков нарушения макроравномерной пластической деформации и определения радиуса пространственной корреляции деформаций. Показано, что радиус пространственной корреляции деформаций при одноосном растяжении отожженного алюминиевого сплава ДЦГ— М до 10 % макродеформации и при повышении температуры до 0,5*ТП линейно зависит от температуры, а за пределами этих ограничений его изменение зависит от типа нарушения макроравномерной пластической деформации.

5. Построены пространственные автокорреляционные функции деформаций для разных степеней и температур макродеформирования отожженного алюминиевого сплава АД1- М и при разном диаметре зерна в нем» По изменению вида пространственной автокорреляционной функции установлено несколько ранних признаков нарушения макроравномерной пластической деформации разного типа, в том числе "волн" деформации. 6. В интервале температур 293 К ^ Т 0,5'Тптт получена экс

1U1 • поненциальная зависимость запаса пластичности, определенного статистическим методом, от температуры. Показано, что вблизи 0,5'Тп- заил • пас пластичности скачком убывает до нуля.

1. Ишлинский А. Ю. Механика накануне шестидесятилетия Октября. В сб. "Октябрь и наука". М., "Наука", 1977, с. 271 282.

2. Френкель Я. И. Введение в теорию металлов. Л., "Наука", 1972, 186 с.

3. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкости. Л., "Наука", 1975, 592 с. с черт.

4. Мак Лин Д. Границы зерен в металлах. М., Металлургиздат, I960, 322 с. с илл.

5. Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. М., "И.Л.", 1962, 584 с. с черт.

6. Гегузин Я. Е. Макроскопические дефекты в металлах. М., Металлургиздат, 1962, 252 с. с илл.

7. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М., Атошздат, 1972, 599 с. с илл.

8. Амелинкс С. А. Методы прямого наблюдения дислокаций. М., "Мир", 1968, 440 с. с илл.

9. Прямые методы исследования дефектов в кристаллах. Сб. М., "Мир", 1965.

10. Горелик С. С. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М., "Металлургия", 1970, 368 с. с илл.

11. Методы неразрушающих испытаний. Сб. М., "Мир", 1972.

12. Кульман Вильсдорф Д. Дислокации. В сб. Физическое металловедение. Вып. 3. М., "МИР", 1968, с. 9-86.

13. Регель В. Р., Слуцкер А. И. Кинетическая природа прочности. В сб. "Физика сегодня и завтра". Л., "Наука", 1973, с. 90 175.

14. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М., "Мир", 1972, 408 с. с илл.

15. Павлов В. А. Физические основы пластической деформации металлов. М., Изд. АН СССР, 1962, 199 с. с илл.

16. Коттрелл А. X. Теория дислокаций. М., "Мир", 1969, 96 с. с черт.

17. Зегер А. Механизм скольжения и упрочнения в кубических гране-центрированных и гексагональных плотноупакованных металлах. В сб. "Дислокации и механические свойства кристаллов". М., "И Л", I960, с. 179 268.

18. Алексеев А. А., Струнин Б. М. Скопление дислокаций в случайных полях внутренних напряжений и начальная стадия деформации кристаллов. ФТТ, 1972, т. 14, с. 1075 1082.

19. Келли А., Гровс Г. Кристаллография и дефекты в кристаллах. М., "Мир", 1974, 496 с.

20. Зегер А. Изменения запасенной энергии и сопротивления в дефор-мированно упрочненных металлах. В сб. "Дислокации и механические свойства кристаллов". М., "И Л", I960, с. 287-289.

21. Фридель Ж. Относительно работы Зегера о деформационном упрочнении. В сб. "Дислокации и механические свойства кристаллов". М., "И Л", I960, с. 269-271.

22. Гордиенко Л. К. Субструктурное упрочнение металлов и сплавов. М., "Наука", 1973 , 224 с.

23. Шнеидерович Р. М. Прочность при статических и повторно статических напряжениях. М. "Машиностроение", 1968 , 343 с. с илл.

24. Фралкензон А. Г., Баргасова Э. В. Уравнение пластического растяжения металлов. Труды метрологических институтов СССР, 1970, в. 100, с. 50 52.

25. Шейнер Ф. 3., Ширан И. В. 0 дискриминации возможных вариантов описания кривой упрочнения. В сб. "Методы решения задач упрочнения и пластичности", вып. 8. Горький, 1974, с. 176 181.

26. ГОСТ 1497 73. Металлы. Методы испытания на растяжение. М., Издательство стандартов, 1977.

27. Лозинский М. Г. Строение и свойства металлов и сплавов при высоких температурах. М., Металлургиздат, 1963, 535 с. с илл.

28. Мак Лин Д. Механические свойства металлов. М., "Металлургия", 1965, 431 с. с илл.

29. Ярошевич В. Д., Рыбкин а Д. Г. О механизме пластической деформации алюминия. "Физика мет. и металловед.", 1973, т. 35, в. 3, с. 618 623.

30. Микляев П. Г. и др. Об особенности деформации алюминиевых сплавов. В сб. "Металловед, и технол. легк. сплавов". М., "Неука", 1976, с. 140 142.

31. Ростовцев А. Н. и др. Исследование пластичности и кинетика деформации алюминия в широком интервале температур. В сб. "Практика тепловой микроскопии". М., "Наука", 1976, с. 126 130.

32. Христенко И. Н. Температурная зависимость напряжения течения. "Физика мет. и металловед.", 1978, т. 45, № 3, с. 656 660.

33. Ке Т. Модель границ зерен и механизм вязкого межкристаллитного скольжения. В сб. "Упругость и неупругость металлов". М., "ИЛ", 1954, с. 313 324.

34. Попов Л. В. К вопросу об эквивалентности влияния скорости и температуры деформации на процесс пластической деформации. Изв. вузов. Физика, 1958, № 3, с. 91 99.

35. Витман Ф. Ф. и Златина Н. А. Сопротивление деформированию ме-А ? —Тталлов при скоростях 10 10 м'с . I—II. ЖТФ, 1949, т. 19, в. 3, с. 315 - 326. III. ЖТФ, 1950,' т. 20, в. 10, с. 1267-1272.

36. Журков С. Н., Санфирова Т. П. Связь между прочностью и ползучестью металлов и сплавов. ЖТФ, 1958, т. 28, вып. 8, с.1719-1726.

37. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М., "Металлургия", 1971, 264 с. с илл.

38. Иванова В. С. К вопросу о роли дислокаций в процессе ползучести. В сб. "Прочность металлов". М., Изд. АН СССР, 1956, с.16-26.

39. Одинг И. А. и др. Теория ползучести и длительной прочности металлов. М., Металлургиздат, 1959, 488 с. с илл.

40. Пашков П. 0. Разрыв металлов. Л., Судпромгиз, i960 , 243 с. с черт.

41. Полз ЙаъдъеягеЛ /V. £ 0» И*- in homogeneity а/in fyz съ^З^а^! cf аи а^ъеf /т/ * т, г. ss-91.

42. Пашков П. 0. Методы исследования неравномерных деформированных состояний. "Заводская лаборатория", 1948, № 9, с. III6 1124.

43. Пашков П. 0. Периодичность деформации при пластическом растяжении и сжатии крупнозернистой стали. ЖТФ, 1949, т. XIX, вып. 3, с. 391 398.

44. Чечулин Б. Б. Исследование микронеоднородности пластической деформации стали. "Физика мет. и металловед.", 1955, т. I, вып.2, с. 251 260.

45. Фридман Я. Б., Зилова Т. К. 0 методике изучения неоднородности пластической деформации с помощью делительных сеток. "Заводская лаборатория", 1950, № I, с. 62 69.

46. Рыбалко Ф. П. Распределение неоднородностей пластической деформации. I. Изв. вузов. Физика, 1958, № 6, с. 79 84.1.. Изв. вузов. Физика, 1959, № I, с. 6 14.

47. I. Изв. вузов. Физика, 1959, № 2, с. 3 10.

48. Рыбалко Ф. П. Статистика распределения неоднородностей пластической деформации и влияние на нее различных факторов. В сб. "Исследования по жаропрочным сплавам". Изд. АН СССР, М., I960, Ю, с. 57 63.

49. Волков С. Д. Статистическая теория прочности. Москва Свердловск, Машгиз, Урало-сибирское отделение, I960, 176 с. с илл.

50. Богачев И. Н. и др. Введение в статистическое металловедение. М., "Металлургия", 1972, 216 с. с илл.

51. Волков С. Д., Ставров В. П. Статистическая механика композитных материалов. Минск, Изд-во БГУ им. В. И. Ленина, 1978 , 206 с.

52. Дель Г. Д., Новиков Н. А. Метод делительных сеток. М., "Машиностроение", 1979, 144 с. с илл.

53. Готлиб Б. М. и др. Основы статистической теории обработки металлов давлением. М., "Металлургия", 1980, 168 с.

54. Куке a JI. В. и др. Автоматизированный метод исследования деформированного состояния с помощью делительных сеток. "Заводская лаборатория", 1979, № 7, с. 653 655.

55. Вайнштейн А. А. и др. Характеристики неоднородности микродеформаций. "Физика мет. и металловед.", 1980, т.50, в.4, с. 876-879,

56. Кукса Л. В. Закономерности развития микронеоднородной пластической деформации металлов. "Проблемы прочности", 1979, № 9, с, 13 19.

57. Рыбалко Ф. П., Вохмянин А. П. К вопросу о рациональности выбора граничных условий при статистическом исследовании распределения пластической деформации. В сб. "Структура и свойства твердых тел", вып. 2. № 50. Свердловск, Ур.ГУ, I960, с. 179 180.

58. Рыбалко Ф. П. и др. Неоднородность распределения деформации при ползучести и растяжении. Изв. вузов. Физика, 1970, J& 2, с. 66-69.

59. Рыбалко Ф. П., Коновалова Е. А. Влияние степени растяжения на распределение пластической деформации в монокристаллах алюминия. Изв. вузов. Физика, 1971, № 2, с. 119 120.

60. Белугина Е. А., Вайнштейн А. А. и др. Зависимость структурных деформаций от степени макродеформации. "Физ.- хим. обраб. мет.", 1978, т. 14, № 6, с. 92 95.

61. Рыбалко Ф. П. К вопросу о микро- и макропластичности и разрушении поликристаллов. "Физика мет. и металловед.", I960, т. 10, вып. 4, с. 579 603.

62. Асатуров А. А. и др. 0 моментных функциях пластических микродеформаций. "Физика мет. и металловед.", 1964, т. 17, № 5, с. 744 749.

63. Кукса JI, В. Исследование автокорреляционных функций и спектральных плотностей пластических микродеформаций поликристалловметаллов/."Прикладная механика", 1981, т. 17, № 2, с. 116 120.

64. Рыбалко Ф. П., Якутович М. В. Деформация плоских алюминиевых кристаллов. ЖТФ, 1948, т. 18, вып. 7, с. 915 920.

65. Рыбалко Ф. П. и Угарова Н. А. Статистика распределения микроповоротов и сдвиговой деформации при растяжении крупнозернистого алюминия. "Физика мет. и металловед.", 1964, т. 18, вып. 6, с.921 924. j

66. UticVrM.,TA/ii* H.L. yVW/t cfeftzwetta* of.****1. Л Ж jfefrA, /Щ «fy /?./ГЗ

67. Корниенко Э. 0. и др. Влияние скорости деформирования на распределение микродеформаций. "Физ.- хим. механика материалов", 1980, т. 16, № 5, с. ИЗ 114.

68. R e-tfetfs ee'r-tup M&ft^U^ifs /Л^ftjii yeet^l. Set 9tTc/lt?0 f. ^68. ГОСТ 4784 65. '

69. Кибардин M. А., Кибанов В. А. Применение дисперсии микротвердости к изучению влияния отжига и закалки на степень неоднородности структуры недсформированного алюминия. В сб. "Физика металлов и их соединений". Свердловск, УрГУ, 1981, с. 67 71.

70. Шагдыр Т. ш. и др. Определение параметров распределения пластических деформаций зерен поликристаллов. "Заводская лаборатория',1 1976, № 3, с. 1008 1009.

71. Лодиз Р., Паркер Р. Рост монокристаллов. М., "Мир", 1974, 540 с.

72. Кибардин М. А. Влияние слабых токов на неоднородность распределения пластической деформации. В сб. "Физика металлов и их соединений", вып. 3. Свердловск, УрГУ, 1975, с. 178 184.

73. Митропольский А. К. Техника статистических вычислений. М., Физ-матгиз, 1961, 479 с.

74. Бендат Дж., Пирсол Л. Измерение и анализ случайных процессов. Пер. с англ. М., "Мир", 1971, 408 с.

75. Бендат Дж., Пирсол Л. Применения корреляционного и спектрального анализа. Пер. с англ. М., "Мир", 1983, 312 с. с илл.

76. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов, т. I. М., "Машиностроение", 1974, 472 с. с илл.

77. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов, т. 2. Методы исследования механических свойств металлов. М., "Машиностроение", 1974, 320 с.

78. Кибардин М. А. Исследование пластической анизотропии металла статистическим методом. "Заводская лаборатория", 1981, 9, с. 85-87.

79. Кибардин М. А. Статистический способ определения ранних признаков шейки. "Заводская лаборатория", 1982, № 7, с. 77 78.

80. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М., "Высшая школа", 1977, 288 с.81. у Ггig^tuM ojf 2V И <?fiZ Л^у of 2>/3 -t^ecv .

81. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела. М., "Мир", 1969, 55В с.

82. Рыбалко Ф. П., Кибардин М. А. Дислокационная модель упрочнения при деформации с постоянной относительной скоростью. В сб. "Физика металлов и их соединений", вып. 4. Свердловск, УрГУ, 1976, с. 106 112.

83. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М. ,"ФМ" ,1963, 696 с.

84. Конрад X. Модель деформационного упрочнения для объяснения влияния величины зерна на напряжение течения металлов. В сб. "Сверхмелкое зерно в металлах". М.,"Металлургия", 1973, с. 2061. MsM Sc. ftM%, б,г.бо-бъ.

85. Кудряшов В. Г. и др. Влияние скорости нагружения на механические свойства алюминиевых сплавов. "Технология легких сплавов". Науч.- техн. бкш. ВИЛСа, 1972, №5, с. 62 63.

86. Кибардин М. А. 0 связи установившейся ползучести под постоянной нагрузкой с одноосным растяжением при постоянной скорости. II. В сб. "Физика металлов и их соединений", вып. 3. Свердловск, УрГУ, 1975, 155 159.

87. Дорн Д. Э. Спектр энергии активации ползучести. В сб. "Ползучесть и возврат". М., Металлургиздат, 1961, с. 291 325.

88. Вайнштейн А. А., Кибардин М. А., Боровиков В. С. Исследование неоднородности деформации в алюминиевом сплаве АДГ- М. Изв. АН СССР. Металлы, 1983, № 3, с. 171 174.

89. Шмид Э. Пластичность кристаллов, в особенности металлических. М.- Л., ГоНТИ, 1938, 316 с. с илл.

90. Микляев П. Г., Фридман Я. Б. Анизотропия механических свойств материалов. М., "Металлургия", 1969, 269 с. с илл.

91. Микляев П. Г., Волознева Л. Я. 0 методике оценки пластической анизотропии листовых материалов. "Заводская лаборатория", 1973, № 9, с. III9 II22.